پیش از آنکه دربارهی چیستی مکانیک کوانتومی صحبت کنیم، بیایید نگاهی به برخی از گزارههای معروف از بنیانگذاران فیزیک کوانتومی بیندازیم. بگذارید از اروین شرودینگر و نیلز بور که از سرآمدان تبیین مکانیک کوانتومی بودند شروع کنیم. نیلز بور میگوید: «هرکس از مکانیک کوانتومی شوکه نشود، آن را نفهمیدهاست». شرودینگر پا را بسیار فراتر گذاشته و میگوید: «دوستش ندارم، و متاسفم که هرگز با آن سر وکاری داشتهام»؛ و دربارهی آزمایش معروف «گربهی شرودینگر» خودش میگوید: «مسئلهی کاملا مضحکیست». چنین گزارههایی همینجا به پایان نمیرسند و تقریبا هرکسی که اندک دستی در مسئله داشته، نقل قولهای مشابهی کردهاست.برای نمونه ریچارد فاینمن گفته «فکر میکنم با اطمینان بتوانم بگویم که هیچکس مکانیک کوانتومی را نمیفهمد»، و در جایی دیگر اشاره کردهاست که «اگر فکر میکنی مکانیک کوانتومی را فهمیدهای، مکانیک کوانتومی را نفهمیدهای».
اگر این نقلقولها هنوز شما را از ادامهی خواندن این مقاله منصرف نکردهاست، و با تمام این نکات علاقهمندید که ادامه دهید، بهتر است همینجا تکلیفمان را مشخص کنیم که قرار نیست دقیقا بفهمیم که مکانیک کوانتومی چیست (تا اینجا باید از نقل قولها این را متوجه شدهباشیم)، میخواهیم اندکی با مقدمات آن آشنا بشویم و از آن مهمتر بفهمیم که مکانیک کوانتومی چه چیزی نیست.
شکل 1: نیلز بور، اروین شرودینگر و ریچارد فاینمن در حال کمک به دانشجوی فیزیک برای یادگیری مکانیک کوانتومی!
مکانیک کوانتومی فیزیک است، فیزیک ماده، و چیزی ورای آن نیست.
اولین و شاید مهمترین نکته این است که باید درک کنیم که مکانیک کوانتومی فیزیک است، فیزیک ماده، و چیزی ورای آن نیست. همانطور که فیزیک کلاسیک سعی میکند رفتار اجسام را پیشبینی کند و فیزیک نسبیتی میخواهد همینکار را برای اجسام بسیار بزرگ و یا در سرعتهای بسیار بالا انجام دهد، فیزیک کوانتومی نیز در پی همین کار است، اما برای ذرات خُرد. اگر به درک کاملی از این مطلب برسیم، و بپذیریم که حوزهی عملکرد مکانیک کوانتومی حوزهی ماده و انرژی است، تکلیفمان مشخص میشود و میدانیم که از مکانیک کوانتومی چه میخواهیم و هر پدیدهی ناشناختهای را به آن نسبت نمیدهیم. البته که تا به اینجای کار حتما فهمیدهایم که با فیزیکی نامتعارف روبرو خواهیمبود، فیزیکی که میتوانیم آن را بیان کنیم اما از فهمیدن آن به معنای واقعی کلمه ناتوان هستیم.
مکانیک کوانتومی با درک روزمرهی ما از پدیدهها در تناقض کامل است. برای مثال مغز ما به گونهای طراحی شدهاست که همهچیز را در پایهی مکان درک کند. ما همهچیز را به واسطهی خاصیت مکانی آنها میفهمیم. حتی صدا با ایجاد ارتعاشات مکانی در گیرندههایی با مکان مشخص در گوش، در مغز ما درک میشود. مکانیک کوانتومی در همین ابتدای کار این چارچوب را میشکند و خود را مقید به بیان در پایهی خاصی نمیکند. برای همین است که مغز ما برای فهمیدن مکانیک کوانتومی طراحی نشدهاست و ما نمیتوانیم به درک دقیقی از آن برسیم.
در فیزیک برای اینکه رفتار یک ذره یا ماده را توصیف کنیم، نیازمندیم کمیتهایی از قبیل مکان، سرعت، انرژی و ... را بشناسیم و در طول زمان به آنها مقادیری را نسبت دهیم. در فیزیک کلاسیک به خوبی این کار را انجام میدهیم. برای مثال هنگامی که در حال رانندگی هستیم به سادگی میتوانیم مکان و سرعت خودرو را بیان کنیم و حتی مسیرمان را نیز پیشبینی کنیم. حتی با یک نگاه به دور موتور و شناخت توان موتور خودرو، انرژی آن را نیز دقیق بیان میکنیم، و به توصیف نسبتا کاملی از دینامیک خودرو میرسیم. علاوه بر این میدانیم که کمیتهایی که بیان کردیم دارای یک واقعیت فیزیکی و بیرونی هستند. هنگامی که از مکان یا سرعت خودرو صحبت میکنیم و به آنها مقادیری را نسبت میدهیم، این کمیات مابهازای عینی و بیرونی دارند. اما همین که میخواهیم اولین قدم را در فیزیک ذرات خُرد برداریم و به توصیفی از همین کمیات برسیم، با یک شکست کامل مواجه میشویم. مکانیک کوانتومی حتی نسبت دادن واقعیت فیزیکی به این کمیات را نیز گردن نمیگیرد.
برای اینکه بهتر این موضوع را متوجه شویم، بیایید فرض کنیم یک خط تولید کارخانه، توپهایی کاملا یکسان و شبیه به هم تولید میکند، اگر به طور تصادفی چند توپ را از خط تولید بیرون بکشیم و ابعاد آنها را اندازهگیری کنیم ابعاد همه را یکسان مییابیم. حالا اگر این توپها را با ذرات کوانتومی جایگزین کنیم هر بار که اندازهگیری را انجام دهیم، مقدار متفاوتی را مییابیم. حتی اگر همان ذره را دوباره اندازهگیری کنیم باز هم با نتیجهی متفاوتی روبرو میشویم. داستان عجیبتر هم میشود. فرض کنید یکی از این ذرات در مسیری حرکت کند و ما هر لحظه با اندازهگیری، مکانِ آن را دنبال کنیم. حال علاقهمندیم سرعت حرکت آن را نیز بدانیم. با اندازهگیری در آن لحظه به سرعت ذره پی میبریم اما تمام اطلاعاتمان از مکان ذره از دست میرود. حتی نمیدانیم دیگر چیزی به اسم کمیتِ مکان واقعیت دارد یا خیر.
اکنون در اولین قدم از نسبت دادن کمیتهای فیزیکی به یک ذرهی خُرد بازماندیم، تعریف خود را از این کمیتها در حوزهی مکانیک کوانتومی تغییر میدهیم. دیگر آنها را کمیت و توصیف کنندهی فیزیک ذرات نمیدانیم. آنها را مشاهدهپذیرهای فیزیکی مینامیم، بدین معنا که تنها با اندازهگیری قادر به مشاهدهی آنها هستیم. و با اندازهگیری مجدد یکی از این مشاهدهپذیرها تمام اطلاعات ما دربارهی باقی مشاهدهپذیرها از بین میرود. پس برای توصیف یک سیستم کوانتومی به چیزی دیگر نیاز داریم. در اینجا به سراغ مفهوم جدیدی میرویم با نام تابع موج و یا تابع حالت. تابع موج، یک تابع ریاضیاتی است که تمام اطلاعات یک سیستم فیزیکی را در خود گنجانده است. تابع موج دربردارندهی تمام اطلاعاتیست که میتوانیم از سیستم بدست بیاوریم. تابع موج مفهومی آماری دارد و اطلاعاتی که به ما میدهد از جنس احتمالات است. از آنجا که پیشتر نیز گفتیم، هیچ دلیلی بر اینکه مشاهدهپذیرهای فیزیکی دارای واقعیت فیزیکی نیز باشند وجود ندارد، تابع موج تنها به ما اطلاعات میدهد که در صورت اندازهگیری یکی از این مشاهدهپذیرهای فیزیکی چه مقادیری را با چه احتمالی مییابیم. به بیان دیگر مکانیک کوانتومی دارای علیت احتمالی است.
فرض کنید یک ذرهی کوانتومی را در یک جعبه نگهداری میکنیم. برای مثال تابع موج این ذره به ما میگوید که اگر مکان آن را اندازهگیری کنیم با احتمال یکسوم در بالای جعبه، با احتمال یک سوم در میانهی جعبه و با احتمال یکسوم در انتهای جعبه یافت میشود. روی ذره اندازهگیری مکان انجام میدهیم و آن را در میانهی جعبه یافت میکنیم. اکنون که دربارهی ذره به اطلاعات دقیق رسیدهایم، بلافاصله تابع موج ذره نیز تغییر میکند، و احتمال یافت شدن ذره را با احتمال صددرصد در میانهی جعبه نشان میدهد. از آنجا که تمام سیستم فیزیک ما با تابع موج بیان میشود، میبینیم که با اندازهگیری کردن، سیستم را مختل کرده و آن را به طور کامل تغییر میدهیم. در اینجا نیز به یکی از تفاوتهای بزرگ فیزیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک برمیخوریم. هنگامی که سیستم را اندازهگیری میکنیم، دربارهی سیستم اطلاعات بدست میآوریم، اما به قیمت از بین بردن سیستم فیزیکی. اطلاعات دقیق ما فقط دربارهی سیستم تغییریافته صدق میکند.
آیا تابع موج واقعیت فیزیکی دارد؟
آزمایشهایی وجود دارد که نشان میدهد شکل ریاضی تابع موج در تطابق کامل با رفتار سیستم کوانتومی قرار دارد، اما هنوز بر سر اینکه تابع موج تنها یک تابع ریاضیست یا واقعیت فیزیکی دارد توافقی حاصل نشدهاست. آیا مشاهدهپذیرها واقعیت فیزیکی دارند؟ پاسخ دقیقی وجود ندارد اما در حال حاضر تعبیر استاندارد از مکانیک کوانتومی این است که مشاهدهپذیرها واقعیت فیزیک ندارند و با اندازهگیری ساخته میشوند. ریاضیات مکانیک کوانتومی از کجا میآید؟ مکانیک کوانتومی بر پایهی چند اصل موضوعه بنا شدهاست. ریاضیات این اصول اولیه هر چند از فیزیک کلاسیک الهام گرفتهشدهاند اما همگی فقط اصول پذیرفتهشدهای هستند که ساختاری صرفا ریاضی را میسازند که نتایج آن با طبیعت در تطابق کامل است (حتی در مسائلی که خود مکانیک کوانتومی نمیتواند خودش را توضیح دهد).
این موضوعات موجب بروز پدیدههای دیگری نیز در مکانیک کوانتومی هستند که ما بهازای کلاسیک ندارند (مانند برهمنهی کوانتومی و یا درهمتنیدگی کوانتومی) که هر یک با پاسخی از پاسخهای متعددی که به سوالهای بالا میدهند سازگارتر است. دقیقترین چیزی که میتوان دربارهی چهبودگی مکانیک کوانتومی بیان کرد، همین است که ساختاریست ریاضی که کاملا با نتایج تجربی در حوزهی سیستمهای فیزیکی خُرد در تطابق است. عدم وجود پاسخ دقیق به سوالهای بالا و بسیار سوالات دیگر موجب شدهاست جهانبینیهای متعددی از سوی فیزیکدانان و فلاسفه بر ریاضیات مکانیک کوانتومی سوار شوند (مانند دیدگاه کپنهاگی، متغیرهای نهان، چندجهانی و ...) اما هنوز یک توصیف که همگی بر سر آن توافق داشتهباشند وجود ندارد. همین ناشناختگی و مبهم بودن جهانبینی سوار بر مکانیک کوانتومی میتواند موجب شود تا به اشتباه مکانیک کوانتومی به حوزههایی که به آن نامربوط است نسبت دادهشود.
شناخت فیزیک ذرات خُرد راهیست دور و دراز که باید ادامه پیدا کند. هرچند که مکانیک کوانتومی فرایندها را خوب پیشبینی میکند و فناوریها را توسعه دادهاست، اما تا هدف اصلی خود فاصله بسیار دارد، اینکه جهان را بشناسیم آنگونه که هست.